Investigadores estadounidenses han utilizado supercomputadoras para comprender mejor los orígenes del viento solar. Se trata de un flujo de partículas de alta energía procedentes del Sol que pueden dañar los satélites, amenazar a los astronautas e incluso alterar los sistemas eléctricos y electrónicos de la Tierra.
Las emisiones de estas partículas cargadas son generalmente difíciles de predecir porque son el resultado de complejos procesos no lineales que ocurren en la corona del Sol, la atmósfera exterior de nuestra estrella. La corona es un plasma extremadamente caliente de partículas ionizadas que no se puede reproducir en un entorno de laboratorio controlado. Ahora, científicos de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York han desarrollado un método para predecir estos eventos con supercomputadoras.
"Dado que sólo disponemos de un número limitado de mediciones de las propiedades del plasma en las proximidades del Sol, existen importantes incertidumbres en el conocimiento de las propiedades físicas del plasma", afirma Lucas Comisso, coautor con lorenzo sironi de un informe que describa la investigación. "Estas incertidumbres se ven dramáticamente amplificadas por procesos no lineales, como choques, reconexión magnética y turbulencia".
La incertidumbre de las condiciones iniciales del plasma, combinada con la complejidad de los procesos no lineales que intervienen en la aceleración de las partículas solares, hacen que este sea un problema difícil de resolver. Por lo tanto, se utilizó un enfoque que depende en gran medida de nuevos métodos de computación de alto rendimiento (HPC).
Único en su éxito
Por supuesto, HPC no es una panacea que permita al usuario recibir la respuesta a cualquier pregunta que haga. La gente ha intentado (y fracasado) utilizar la supercomputación para resolver este problema antes. El intento de Comisso y Sironi fue único en su éxito.
Un problema con el que han luchado los científicos fue explicar cómo se aceleran las partículas de alta energía a partir de la menor energía térmica del plasma. Si algunas partículas se aceleran primero mediante un proceso desconocido, ciertos procesos del plasma, como los choques, pueden acelerar aún más estas partículas hasta alcanzar energías que amenazan a los satélites y a los astronautas. El desafío es comprender esa aceleración inicial.
"El principal problema no resuelto aquí era comprender cómo algunas partículas podían empezar a ganar energía desde cero", afirma Comisso. “Una posibilidad importante era estudiar los efectos de la turbulencia en el plasma, ya que se espera que éste se encuentre en un estado turbulento en la atmósfera del Sol. Para analizar esta posibilidad y ver si realmente funciona, es necesario resolver ecuaciones no lineales complejas”.
Cálculo complejo
Resolver estas ecuaciones exige recursos de HPC y el dúo confió en la método de partícula en celda describir el proceso de aceleración de partículas en un plasma turbulento. Para simplificar un cálculo complejo, este proceso sigue las trayectorias de electrones e iones en campos electromagnéticos autoconsistentes calculados en una cuadrícula computacional fija.
Para simplificar el problema, estudios anteriores emplearon aproximaciones que enturbiaron los resultados finales. Comisso dice que su último trabajo fue capaz de demostrar de manera única que la turbulencia en la atmósfera exterior del Sol proporciona la aceleración inicial. Además, su resultado se logró utilizando un método riguroso que no empleaba aproximaciones previas.
Las simulaciones a gran escala para este trabajo se realizaron en el telescopio de la NASA. Pléyades supercomputadora de la NASA y la supercomputadora cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de EE. UU. En ambas máquinas, los investigadores ejecutaron código de partículas en celdas utilizando entre 50,000 y 100,000 unidades centrales de procesamiento (CPU) y alrededor de 1500 nodos para cada simulación. Este importante recurso informático era necesario para realizar un seguimiento de los casi 200 mil millones de partículas involucradas en cada simulación.
Protegiendo la exploración espacial
Parece que esta investigación desempeñará un papel vital para mejorar nuestra comprensión de la radiación que representa una amenaza para los astronautas y las naves espaciales.
¿Qué pasaría si azotara una súper tormenta solar?
“Estas partículas de alta energía plantean riesgos para los seres humanos que se encuentran fuera de la cubierta protectora de la magnetosfera terrestre”, afirma Comisso. “Básicamente, el Sol atraviesa fases de fuerte actividad que pueden dar lugar a grandes eventos de partículas energéticas solares, con una intensidad significativa de protones de alta energía. La gran intensidad de los protones de alta energía supone un peligro de radiación para los seres humanos expuestos. Grandes dosis de radiación exponen a los astronautas a un aumento significativo del riesgo de cáncer y posiblemente de muerte”.
Sin embargo, las implicaciones de esta investigación van más allá de eso. Como señala Comisso, el Sol no es el único objeto astrofísico que puede estudiarse con este método. Por ejemplo, las partículas se aceleran en la proximidad de otros objetos celestes, como estrellas de neutrones y agujeros negros.
"Creo que sólo hemos arañado la superficie de lo que las simulaciones por superordenador pueden decirnos sobre cómo las partículas pueden ser energizadas en un plasma turbulento", dice Comisso.
La investigación se describe en Las cartas de la revista astrofísica.
